DE102017209858B4

DE102017209858B4 - Halbleiter-Differenzdrucksensor und Herstellungsverfahren des selbigen

Info

Publication number: DE102017209858B4
Application number: DE102017209858.9A
Authority: DE
Inventors: Eiji Yoshikawa
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-11-01
Filing date: 2017-06-12
Publication date: 2024-02-29
Anticipated expiration: 2037-06-13
Also published as: US20180120184A1; DE102017209858A1; US10260976B2; JP6293236B1; JP2018072229A

Abstract

Halbleiter-Differenzdrucksensor, umfassend:ein Halbleiter-Differenzdrucksensorelement (100, 100A, 100B, 100C, 100D, 100E), wobei eine Hauptoberfläche (1a) eines ersten Halbleitersubstrats (1) und eine Hauptoberfläche (2a) eines zweiten Halbleitersubstrats (2) mittels eines auf dem zweiten Halbleitersubstrat (2) ausgebildeten Oxidfilms (4) miteinander verbunden sind, wobeidas erste Halbleitersubstrat (1) einen in der einen Hauptoberfläche (1a) vorgesehenen, vertieften Abschnitt (3), Spannungsabbaunuten (13, 13a und 13b), die um und entlang des vertieften Abschnitts (3) vorgesehen sind, und eine Druckleitungsbohrung (8), die den vertieften Abschnitt (3) mit der Außenseite auf der Seite einer anderen Hauptoberfläche (1b) in Kommunikation bringt, aufweist, und das zweite Halbleitersubstrat (2) eine durch den Umriss des vertieften Abschnitts (3) definierte Membran (5), spannungssensitive Elemente (6), die in Bereichen einer anderen Hauptoberfläche (2b) innerhalb der Membran (5) angeordnet sind, Elektroden (10), die in einem Rahmenabschnitt (7) außerhalb der Membran (5) angeordnet sind, und eine Diffusionsverdrahtung (9), die die spannungssensitiven Elemente (6) und Elektroden (10) elektrisch verbindet, aufweist, wobeidie Spannungsabbaunuten (13a und 13b) eine verschachtelte Struktur aufweisen, in der die Spannungsabbaunuten (13a und 13b) mehrfach den vertieften Abschnitt (3) umgeben.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleiter-Differenzdrucksensor, der die Differenz zwischen Drücken, die auf die Vorderfläche und die Hinterfläche einer Membran aufgebracht werden, erfasst, und ein Herstellungsverfahren des Sensors.
Beschreibung des Standes der Technik Art
In jüngster Zweit werden im Hinblick auf Transportmittel wie einem Fahrzeug die Abgasvorschriften aus Sicht des Umweltschutzes verstärkt. Die Motorisierung eines Antriebsstrangs schreitet voran, während ein System, in dem ein bisher bekannter Verbrennungsmotor montiert ist, ebenfalls verbessert wird, und es gibt eine zunehmende Anzahl von Fällen, in denen ein Abgasreinigungssystem in Dieselmotoren sowie in Benzinmotoren vorgesehen wird.
Ein Filter, wie z.B. ein Dieselpartikelfilter (DPF) oder ein Benzinpartikelfilter (GPF), wird in derartigen Systemen verwendet, um zu verhindern, dass Partikel in die Außenumgebung ausgestoßen werden, aber in jedem Fall kann der Filter als Ergebnis einer Erhöhung der Verwendung verstopfen, was zu einer Schwierigkeit bei der Erlangung der gewünschten Funktion führt. Aus diesem Grund werden Maßnahmen ergriffen, um ein Verstopfen der Filter in vorbestimmten Intervallen zu erkennen und die Filterfunktion wiederherzustellen. Ein erfindungsgemäßer Halbleiter-Differenzdrucksensor, der beispielsweise in dieser Art von Systemen verwendet wird, erkennt die Filterverstopfung durch Messen der Differenz zwischen den Drücken an der stromaufwärtigen Seite und der stromabwärtigen Seite des Filters.
Als diese Art von Halbleiter-Differenzdrucksensor offenbart JP2012-26956 A einen Halbleiter-Differenzdrucksensor mit einer Membran, die spannungssensitive Elemente aufweist, oberhalb eines ersten Hohlraumabschnitts, der aus einem ersten vertieften Abschnitt gebildet ist, der in überlagerten Oberflächen in einer Basis vorgesehen ist, wobei ein zweites Substrat einem ersten Substrat überlagert ist. Bei dem Halbleiter-Differenzdrucksensor gemäß diesem Stand der Technik ist ein zweiter vertiefter Abschnitt in einem inneren Bodenabschnitt des ersten Hohlraumabschnitts so vorgesehen, dass er sich in Richtung der äußeren Oberflächenseite des ersten Substrats erstreckt und indem der zweite vertiefte Abschnitt, der eine Öffnung, die mit der Außenseite in Kommunikation steht, der erste Hohlraum mit der Außenseite in Kommunikation steht.
Weitere verwandte Techniken sind in DE 10 2010 051 515 A1 , JP 2013-124947 A , DE 100 36 433 A1 , JP H09-325 082 A , JP 2015-075 422 A und JP H07-174 654 A zu finden. Hierbei beschreibt die DE 10 2010 051 515 A1 einen Halbleiterdrucksensor, enthalten: ein erstes Halbleitersubstrat, auf dem ein Aussparungsabschnitt ausgebildet ist, der eine Öffnung auf einem ersten Substrat in einer Dickenrichtung aufweist; ein zweites Halbleitersubstrat, das so angeordnet ist, dass dieses der ersten Oberfläche des ersten Halbleitersubstrats zugewandt ist; und ein erster Siliziumoxidfilm, der zwischen dem ersten Halbleitersubstrat und dem zweiten Halbleitersubstrat vorgesehen ist. Auf dem Film ist eine Durchgangsöffnung ausgebildet, welche den Aussparungsabschnitt und das zweite Halbleitersubstrat in Kommunikation versetzt, und wobei wenigstens ein Abschnitt eines Randabschnitts der Durchgangsöffnung innerhalb eines Öffnungsrandabschnitt des Aussparungsabschnitts positioniert ist, betrachtet von einer Seite, welche der Durchgangsöffnung und der Öffnung des Aussparungsabschnitts zugewandt ist.
Ferner wird der Halbleiter-Differenzdrucksensor gemäß dem Stand der Technik durch die folgenden Schritte hergestellt. Zuerst wird der erste vertiefte Abschnitt in dem ersten Substrat gebildet, und nachdem ein Schutzfilm in einem Innenseitenabschnitt des ersten vertieften Abschnitts ausgebildet ist, wird der zweite vertiefte Abschnitt in dem inneren Bodenabschnitt des ersten vertieften Abschnitts ausgebildet. Anschließend wird das zweite Substrat mit einer Oberfläche des ersten Substrats verbunden, in der der erste vertiefte Abschnitt ausgebildet ist, und die Dicke des zweiten Substrats wird reduziert, wodurch die Membran ausgebildet wird und ferner werden die spannungssensitiven Elemente und ein leitfähiger Abschnitt gebildet. Anschließend wird die Dicke des ersten Substrats von der anderen Oberflächenseite der Basis (hin) reduziert, wodurch ein Öffnungsabschnitt gebildet wird, der mit dem zweiten vertieften Abschnitt verbunden ist (die Details werden nachfolgend als Vergleichsbeispiel einer ersten Ausführungsform der Erfindung beschrieben).
Um die gewünschte Funktion bei einem derartigen Halbleiter-Differenzdrucksensor wie im Stand der Technik zu erreichen, ist eine Baugruppenstruktur erforderlich, bei der es möglich ist, zwei zu messende Stellen zuverlässig hermetisch zu trennen und dann Drücke dorthin zu führen. Der erste Anforderungspunkt für die Baugruppenstruktur des Halbleiter-Differenzdrucksensors besteht darin, dass auch wenn Drücke an die Vorderseite und die Rückseite der Membran angelegt werden, ein Halbleiter-Differenzdrucksensorchip (nachfolgend als Sensorchip abgekürzt) von einem Gehäuse, in dem der Sensorchip montiert ist, gehalten wird, ohne aufgrund der Differenz zwischen den Drücken von dem Gehäuse gelöst zu werden.
Im Falle eines Drucksensors, bei dem nur ein Druck auf die Vorderseite einer Membran ausgeübt wird, genügt es, die Rückseite des Sensorchips zu halten, jedoch in einem Halbleiter-Differenzdrucksensor, bei dem beide Seiten einer Membran unter Druck gesetzt werden, wird der Sensorchip grundsätzlich durch eine Unterdruckseite gehalten. Zur Erkennung eines Verstopfens der bisher beschriebenen Art von Filter, wie z.B. DPF oder GPF, weist die stromaufwärtige Seite des Filters grundsätzlich einen positiven Druck auf, der Sensorchip wird von der stromabwärtigen Seitenfläche des Filters gehalten, die Drücke sind jedoch nicht immer gleich in ihrer Größenbeziehung in Bezug auf den Betrieb des Systems. Auch im Hinblick auf andere Zwecke ist es normal, dass sich die Größenbeziehung zwischen den Drücken an den beiden zu messenden Stellen ändert. Aus diesem Grund ist es notwendig, dass der Sensorchip fest an dem Gehäuse befestigt ist, um sich nicht aufgrund von angelegten Drücken zu lösen.
Der zweite Punkt ist, dass der Sensorchip in einem Zustand an dem Gehäuse gehalten wird, in dem die Drücke an den beiden zu messenden Stellen zuverlässig hermetisch getrennt sind, d.h., in einem Zustand, in dem die Vorderseite und die Hinterseite der Membran zuverlässig hermetisch getrennt sind. Aus diesem Grund ist es unzureichend, einfach ein Die-Bonding-Material an der Unterseite des Sensorchips aufzutragen, und es werden Maßnahmen ergriffen, um ein Die-Bonding-Material auch an der Seitenfläche des Sensorchips aufzutragen.
Der Temperaturbereich, bei dem ein Halbleiter-Differenzdrucksensor verwendet wird, ist im Allgemeinen in der Größenordnung von - 40° C bis 130° C, und ein Harzgehäuse dehnt sich und zieht sich wiederholt aufgrund einer Temperaturänderung in diesem Bereich zusammen. Da der Sensorchip fest (rigitly) an dem Gehäuse befestigt ist, breitet sich, wie zuvor beschrieben, breitet sich eine thermische Belastung (Spannung), die durch eine Ausdehnung oder Kontraktion des Gehäuses verursacht wird, direkt auf den Sensorchip aus. Andererseits gibt es das Problem, dass, da die spannungssensitiven Elemente nicht zwischen einer Belastung, die durch eine Druckdifferenz verursacht wird, die ursprünglich gemessen werden sollte, und eine Belastung, die durch die thermische Belastung des Gehäuses verursacht wird, unterscheiden kann, ein Messfehler aufgrund der thermischen Belastung auftritt.
Da keine Maßnahmen zur Unterdrückung des Messfehlers aufgrund der thermischen Beanspruchung für den in der JP 2012-26956 A offenbarten Halbleiter-Differenzdrucksensor vorgenommen werden und die spannungssensitiven Elemente von innerhalb der Membran bis hin zu dem äußeren Umfangsbereich des zweiten Substrats vorgesehen sind, ist es einfach für die thermische Belastung, die durch Ausdehnung oder Kontraktion des Gehäuses entsteht, sich auszubreiten.
Ferner weist das in der JP 2012-26956 A offenbarte Halbleiter-Differenzdrucksensor-Herstellungsverfahren die folgenden Probleme auf. Das erste Problem besteht darin, dass es in einem Schritt des Bildens des zweiten vertieften Abschnitts in dem ersten Substrat durch Ätzen sehr schwierig ist, Fotolack (resist) gleichmäßig auf den Abschnitt aufzutragen, in dem der erste vertiefte Abschnitt bereits gebildet ist. In der JP 2012-26956 A ist die Tiefe des ersten vertieften Abschnitts nicht besonders eingeschränkt, aber die Tiefe des ersten vertieften Abschnitts, der den Umriss der Druckmembran definiert, liegt vorzugsweise in der Größenordnung von einigen µm bis einigen zehn µm.
Beim weiteren Ausbilden des zweiten vertieften Abschnitts in der Bodenfläche des ersten vertieften Abschnitts mit dieser Art von Tiefe ist es notwendig, eine Abdeckung durchzuführen, aber es tritt eine schwere Ungleichmäßigkeit in der Filmdicke des Filmlacks auf, wenn eine gemeinsame Schleuderbeschichten verwendet wird. Außerdem ist es schwierig, das Muster des zweiten vertieften Abschnitts mit hoher Genauigkeit zu fotogravieren, indem man auf die Bodenfläche des ersten vertieften Abschnitts fokussiert wird. Selbst im Falle der technologischen Ermöglichung dieser Schritte durch einige Maßnahmen, handelt es sich um kostspielige exklusive Schritte.
Als zweites Problem besteht das Problem, dass nach dem zweiten Substrat und dem ersten Substrat, in dem der erste vertiefte Abschnitt und der zweite vertiefte Abschnitt miteinander verbunden sind, die Membran in einem Schritt des Bildens der Membran durch Reduzieren der Dicke des zweiten Substrats gebrochen wird, was zu einer Verringerung der Ausbeute führt. Als ein Verfahren zum Reduzieren der Dicke des zweiten Substrats ist ein Verfahren üblich, bei dem nach einem Schleifen des zweiten Substrats mit einer Schleifmaschine, ein Polieren des zweiten Substrats mit einem Poliermittel durchgeführt wird, aber wenn das zweite Substrat durch eine Schleifmaschine geschliffen und nahe an eine vorbestimmte Dicke reduziert wird, besteht die Sorge, dass, da der erste vertiefte Abschnitt und der zweite vertiefte Abschnitt bereits in dem ersten Substrat ausgebildet sind, die Membran stark aufgrund der Last des Schleifers verzerrt (deflects) wird, was schließlich zu einem Bruch führt.
Eine große Anzahl von Differenzdrucksensorchips wird gleichzeitig auf einem Halbleitersubstrat gebildet, und als Halbleiterwaferverfahren, bei dem ein hohes Reinigungsniveau erforderlich ist, wird als Nachbearbeitung vorausgesetzt, wobei das Halbleitersubstrat auch dann weggeworfen werden muss, wenn eine Membran, die einer der Sensorchips ist, bricht. Das heißt, die Ausbeute in dem Membranbildungsschritt muss 100% betragen, aber mit dem in der JP 2012-26956 A beschriebenen Herstellungsverfahren ist es sehr schwierig, die Anforderung zu erreichen.
Als das dritte Problem besteht das Problem, dass selbst in dem Fall, dass der Schritt des Bildens der Membran erfolgreich endet, die Membran aufgrund eines Reinigungsschritts in dem Halbleiterwaferverfahren zur Bildung von Funktionselementen, wie z. B. den spannungssensitiven Elementen, gebrochen wird. Als typische Reinigungsmethode im Halbleiterwaferverfahren gibt es Ultraschallreinigung, Megasonic-Reinigung, Bürstenreinigung, Hochdruck-Jet-Reinigung und dergleichen, aber es ist sehr gut möglich, dass alle Reinigungsmethoden eine ernsthafte Beschädigung der Membran verursachen. Besonders bei der Megasonic-Reinigung ist es einfach, dass die Membran aufgrund von Resonanz bricht, da die Resonanzfrequenz der Membran nahe einer Megasonic-Frequenz liegt.
Weiterhin besteht das vierte Problem darin, dass, da die Öffnung, die mit der Außenseite kommuniziert, nach dem Bilden von Funktionselementen, wie den spannungssensitiven Elementen und den Elektroden, vorgesehen wird, die Möglichkeit besteht, dass die Membran in dem Schritt des Reduzierens der Dicke des ersten Substrats zerbricht. In dem Schritt, in dem das Halbleitersubstrat gehalten wird, indem die Vorderseite der Membran in Kontakt mit den Schleif-/Polierköpfen der Schleifmaschine und der Poliermaschine gebracht wird, ist es leicht, dass die Membran aufgrund des Einkerbens von Fremdstoffen, der Einwirkung von Schleifmitteln oder Staub beim Schleifen und Polieren oder dergleichen bricht. Um die Funktionselemente beim Schleifen und Polieren zu schützen, wurden bisher Maßnahmen ergriffen, um ein Schutzband an der Vorderseite des zweiten Substrats an der Membran anzukleben, aber in einigen Fällen bricht die Membran beim Ablösen des Schutzbandes.
Bei einem Differenzdrucksensor zum Erfassen einer geringen Druckdifferenz ist es aufgrund der dünnen und großen Membran eher wahrscheinlich, dass die Membran in diesen Schritten zerbricht. Der Bruch der Membran in den Herstellungsschritten ist ein sehr ernstes Problem, so dass der Bruch nicht nur die relevanten Produkte beschädigt, sondern auch andere Produkte, die auf derselben Linie gefertigt werden, und eine Fertigungseinrichtung beschädigt werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Vorliegende Erfindung wurde zur Lösung der bisher beschriebenen Arten von Problemen entwickelt und hat zum Ziel, einen sehr zuverlässigen Halbleiter-Differenzdrucksensor zu schaffen, der stabil eine hochpräzise Messung in einem möglichst breiten Temperaturbereich wie in der Größenordnung von -40° C bis 130° C durchführen kann. Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, ein Herstellungsverfahren bereitzustellen, bei dem es möglich ist, den Halbleiter-Differenzdrucksensor bei niedrigen Kosten und hoher Ausbeute herzustellen.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch einen Halbleiter-Differenzdrucksensor wie durch den beigefügten unabhängigen Anspruch 1 sowie das Herstellungsverfahren für einen Halbleiter-Differenzdrucksensor wie durch den beigefügten unabhängigen Anspruch 8 definiert gelöst. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche beschreiben optionale Merkmale und bevorzugte Ausführungsformen.
Ein nicht beanspruchter Halbleiter-Differenzdrucksensor weist ein Halbleiter-Differenzdrucksensorelement auf, bei dem eine Hauptoberfläche eines ersten Halbleitersubstrats und eine Hauptoberfläche eines zweiten Halbleitersubstrats über einen auf dem zweiten Halbleitersubstrat gebildeten Oxidfilm miteinander verbunden sind. Das erste Halbleitersubstrat weist einen vertieften Abschnitt auf, der in der einen Hauptoberfläche vorgesehen ist, und eine Druckleitungsbohrung, die den vertieften Abschnitt in Kommunikation mit der Außenseite an der Seite einer anderen Hauptoberfläche bringt. Das zweite Halbleitersubstrat weist eine Membran, die durch den Umriss des vertieften Abschnitts definiert ist, spannungssensitive Elemente, die in Bereichen einer anderen Hauptoberfläche innerhalb der Membran angeordnet sind, Elektroden, die in einem Rahmenabschnitt außerhalb der Membran angeordnet sind, und eine Diffusionsverdrahtung, die die spannungssensitiven Elemente und die Elektroden elektrisch verbindet, auf.
Ferner weist ein erfindungsgemäßer Halbleiter-Differenzdrucksensor ein Halbleiter-Differenzdrucksensorelement, bei dem eine Hauptoberfläche eines ersten Halbleitersubstrats und eine Hauptoberfläche eines zweiten Halbleitersubstrats über einen auf dem zweiten Halbleitersubstrat gebildeten Oxidfilm miteinander verbunden sind. Das erste Halbleitersubstrat einen vertieften Abschnitt, der in der einen Hauptoberfläche vorgesehen ist, Spannungsabbaunuten, die um und entlang des vertieften Abschnitts vorgesehen sind, eine Druckleitungsbohrung, die den vertieften Abschnitt in Kommunikation mit der Außenseite auf der Seite einer anderen Hauptoberfläche bringt. Das zweite Halbleitersubstrat eine Membran, die durch den Umriss des vertieften Abschnitts definiert ist, spannungssensitive Elemente, die in Bereichen einer anderen Hauptoberfläche innerhalb der Membran angeordnet sind, Elektroden, die in einem Rahmenabschnitt außerhalb der Membran angeordnet sind, und eine Diffusionsverdrahtung, die die spannungssensitiven Elemente und die Elektroden elektrisch verbindet, aufweist, wobei die Spannungsabbaunuten eine verschachtelte Struktur aufweisen, in der die Spannungsabbaunuten mehrfach den vertieften Abschnitt umgeben.
Ferner ist ein Herstellungsverfahren für ein Halbleiter-Differenzdrucksensor gemäß der Erfindung ein Herstellungsverfahren für einen Halbleiter-Differenzdrucksensor, bei dem eine Hauptoberfläche eines ersten Halbleitersubstrats, die einen vertieften Abschnitt aufweist, und eine Hauptoberfläche eines zweiten Halbleitersubstrats über einen Oxidfilm miteinander verbunden sind, das zweite Halbleitersubstrat weist eine Membran auf, die durch den Umriss des vertieften Abschnitts definiert ist, und der vertiefte Abschnitt mit der Außenseite auf der Seite einer anderen Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats durch die Druckleitungsbohrung in Kommunikation steht. Das Verfahren weist einen Vertieften-Abschnitt-Bildungsschritt auf, in dem der vertiefte Abschnitt gebildet wird, der eine Opfersäule aufweist, die durch Ätzen eines Bereichs der einen Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats, in dem der vertiefte Abschnitt gebildet wird, ausgebildet ist, wobei ein Abschnitt verbleibt; einen Verbindungsschritt, in dem die eine Hauptoberfläche des ersten Halbleitersubstrats, in der der vertiefte Abschnitt und die Opfersäule ausgebildet sind, und die eine Hauptoberfläche des zweiten Halbleitersubstrats, auf der sich der Oxidfilm befindet, verbunden werden; einen Membranbildungsschritt, in dem die Membran durch Reduzieren der Dicke des zweiten Halbleitersubstrats auf eine vorbestimmte Dicke von der Seite einer anderen Hauptoberfläche ausgebildet wird; einen Funktionselementbildungsschritt, in dem auf dem zweiten Halbleitersubstrat, in dem die Membran ausgebildet ist, spannungssensitive Elemente, die in der Membran angeordnete sind, Elektroden, die in einem Rahmenabschnitt außerhalb der Membran angeordnet sind, und eine Diffusionsverdrahtung, die die spannungssensitiven Elemente und Elektroden elektrisch verbindet, ausgebildet werden; und einen Druckleitungsbohrungsbildungsschritt, in dem die Druckleitungsbohrung gebildet und gleichzeitig die Opfersäule durch Ätzen des ersten Halbleitersubstrats entfernt wird, um sich von der anderen Hauptoberfläche zu einer Bodenfläche des vertieften Abschnitts hindurch zu erstrecken.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Halbleiter-Differenzdrucksensor ist die Anordnung derart, dass die spannungssensitiven Elemente nur innerhalb der Membran angeordnet und durch die Diffusionsverdrahtung mit den im Rahmenabschnitt außerhalb der Membran angeordneten Elektroden elektrisch verbunden sind. Es ist daher für thermische Spannungen, die durch Ausdehnung oder Kontraktion eines Gehäuses, in dem ein Halbleiter-Differenzdrucksensorelement angebracht ist, schwierig, sich bis zu den spannungssensitiven Elementen auszubreiten, wodurch charakteristische Schwankungen, die sich aus einer Änderung der Außentemperatur ergeben, unterdrückt werden und es ist daher möglich, stabil eine hochpräzise Messung auszuführen, selbst in einem so breiten Temperaturbereich wie in der Größenordnung von -40° C bis 130° C.
Ferner ist es gemäß dem erfindungsgemäßen Halbleiter-Differenzdrucksensor aufgrund einer Konfiguration, bei der die spannungssensitiven Elemente nur innerhalb der Membran angeordnet sind und durch die Diffusionsverdrahtung elektrisch mit den Elektroden, die in dem Rahmenabschnitt außerhalb der Membran angeordnet sind, verbunden sind, schwierig, dass sich thermische Spannungen, die durch Ausdehnung oder Kontraktion eines Gehäuses, in dem ein Halbleiter-Differenzdrucksensorelement angebracht ist, entstehen, sich bis zu den spannungssensitiven Elemente ausbreiten. Weiterhin werden, da die Ausbreitung der thermischen Spannungen, die durch eine Ausdehnung oder Kontraktion des Gehäuses verursacht werden, auf die spannungssensitiven Elemente wirksam blockiert werden kann, indem Spannungsabbaunuten entlang der Membran bereitgestellt werden, charakteristische Schwankungen, die sich aus einer Änderung der Außentemperatur ergeben, unterdrückt, und es ist daher möglich, auch in einem möglichst breiten Temperaturbereich, wie in der Größenordnung von -40° C bis 130° C, eine hochpräzise Messung durchzuführen .
Ferner kann gemäß dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren für einen Halbleiter-Differenzdrucksensor aufgrund einer Konfiguration, bei der die Opfersäule in einem Innenabschnitt des vertieften Abschnitts vorgesehen ist und die Membran durch die Opfersäule in dem Membranbildungsschritt, in dem das zweite Halbleitersubstrat in seiner Dicke reduziert wird, und in dem Funktionselementbildungsschritt, gehalten wird, ein Bruch der Membran in den Schritten verhindert werden, wodurch eine signifikante Verbesserung der Ausbeute erreicht wird. Weiterhin kann, da die Opfersäule zur gleichen Zeit wie die Bildung des vertieften Abschnitts gebildet werden kann und gleichzeitig mit der Bildung der Druckleitungsbohrung entfernt werden kann, eine Zunahme der Anzahl der Schritte zum Bilden und Entfernen der Opfersäule verhindert werden, womit eine Erhöhung der Herstellungskosten vermieden werden kann. Ferner, da eine Konfiguration derart ist, dass die Druckleitungsbohrung durch Ätzen des ersten Halbleitersubstrats von der Seite der anderen Hauptoberfläche davon zu der Bodenfläche des vertieften Abschnitts gebildet wird, ist es möglich, eine Hochpräzisionsdruck-Durchgangsbohrung, unter Verwendung von preiswerten und einfachen Schritten zu bilden. Weiterhin ist es nicht notwendig, das erste Halbleitersubstrat nach dem Bilden der Membran und der Funktionselemente zu schleifen oder zu polieren, wodurch ein Bruch der Membran und der Funktionselemente verhindert werden kann, wodurch eine Verbesserung der Ausbeute erreicht wird.
Die vorstehenden und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 zeigt eine Draufsicht und eine Schnittansicht, die ein Halbleiter-Differenzdrucksensorelement gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigen.
2 ist eine Schnittansicht, die eine Baugruppenstruktur eines Halbleiter-Differenzdrucksensors gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
3 zeigt Schnittansichten, die ein Herstellungsverfahren des Halbleiter-Differenzdrucksensorelements gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigen.
4 zeigt Schnittansichten, die ein Herstellungsverfahren des Halbleiter-Differenzdrucksensorelements gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigen.
5 zeigt Schnittansichten, die ein Herstellungsverfahren des Halbleiter-Differenzdrucksensorelements gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigen.
6 zeigt eine Draufsicht und eine Schnittansicht, die ein Modifikationsbeispiel einer Opfersäule in einem Herstellungsverfahren des Halbleiter-Differenzdrucksensorelements gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigen.
7 zeigt eine Draufsicht und eine Schnittansicht, die ein Halbleiter-Differenzdrucksensorelement gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigen.
8 zeigt eine Draufsicht und eine Schnittansicht, die ein Modifikationsbeispiel des Halbleiter-Differenzdrucksensorelements gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigen.
9 ist eine Schnittansicht, die eine Montagestruktur eines Halbleiter-Differenzdrucksensors gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
10 ist eine teilweise vergrößerte Schnittansicht, die eine Seitenfläche eines ersten Halbleitersubstrats eines Halbleiter-Differenzdrucksensorelements gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
11 ist eine teilweise vergrößerte Schnittansicht, die eine Hauptoberfläche an der Rückseite des ersten Halbleitersubstrats des Halbleiter-Differenzdrucksensorelements gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
12 sind Schnittansichten, die ein Herstellungsverfahren des Halbleiter-Differenzdrucksensorelements gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigen.
13 sind Schnittansichten, die ein Herstellungsverfahren des Halbleiter-Differenzdrucksensorelements gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigen.
14 ist eine Schnittansicht, die ein Halbleiter-Differenzdrucksensorelement gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
15 ist eine Schnittansicht, die eine Baugruppenstruktur eines Halbleiter-Differenzdrucksensors gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung zeigt.
16 zeigt eine Draufsicht und eine Schnittansicht, die ein Halbleiter-Differenzdrucksensorelement gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung zeigen.
17 ist eine Unteransicht, die das Halbleiter-Differenzdrucksensorelement gemäß der sechsten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
18 zeigt Schnittansichten, die ein Herstellungsverfahren eines bisher bekannten Halbleiter-Differenzdrucksensorelements zeigen, das ein Vergleichsbeispiel der Erfindung ist.
19 zeigt Schnittansichten, die ein Herstellungsverfahren eines bisher bekannten Halbleiter-Differenzdrucksensorelements zeigen, das ein Vergleichsbeispiel der Erfindung ist.
20 zeigt Schnittansichten, die ein Herstellungsverfahren eines bisher bekannten Halbleiter-Differenzdrucksensorelements zeigen, das ein Vergleichsbeispiel der Erfindung ist.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM
Nachfolgend wird eine Beschreibung auf der Grundlage der Figuren eines Halbleiter-Differenzdrucksensors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung gegeben. 1(a) ist eine Draufsicht, die den Halbleiter-Differenzdrucksensor gemäß der ersten Ausführungsform zeigt; 1(b) ist eine Schnittansicht des durch A-A in 1(a) gekennzeichneten Abschnitts und 2 ist eine Schnittansicht, die eine Montagestruktur des Halbleiter-Differenzdrucksensors gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. In den einzelnen Figuren werden identischen und äquivalenten Teilen identische Bezugszeichen gegeben.
Der Halbleiter-Differenzdrucksensor gemäß der ersten Ausführungsform weist ein Halbleiter-Differenzdrucksensorelement 100 auf, wobei eine Hauptoberfläche 1a eines ersten Halbleitersubstrats 1 und eine Hauptoberfläche 2a eines zweiten Halbleitersubstrats 2 über einen Oxidfilm 4 miteinander verbunden sind. Das erste Halbleitersubstrat 1 weist einen vertieften Abschnitt 3, der in der Hauptoberfläche 1a vorgesehen ist, und eine Druckleitungsbohrung 8 auf, die den vertieften Abschnitt 3 mit der Außenseite auf der Seite einer anderen Hauptoberfläche 1b des ersten Halbleitersubstrats 1 in Kommunikation bringt. Der Umriss des vertieften Abschnitts 3 weist typischerweise eine quadratische Form auf, und seine Größe wird in Übereinstimmung mit einem Druckmessbereich des Halbleiter-Differenzdrucksensors eingestellt. Auch die Tiefe des vertieften Abschnitts 3 ist nicht besonders eingeschränkt, sondern liegt vorzugsweise in der Größenordnung von mehreren µm bis mehreren zehn µm vom Verarbeitungsstandpunkt aus. Auch ist die Form der Druckleitungsbohrung 8 typischerweise ein quadratischer Zylinder.
Der auf dem zweiten Halbleitersubstrat 2 gebildete Oxidfilm 4 entspricht einem vergrabenen Oxidfilm (einer BOX-Schicht) eines SOI (Silicon on Isolator) -Wafers. Im Falle eines Halbleiter-Differenzdrucksensors zum Zwecke der Mikrodifferenzdruckmessung nimmt die Messgenauigkeit ab, wenn die Dicke des Oxidfilms 4 übermäßig größer ist als die Dicke einer Membran 5. Aus diesem Grund ist die Dicke des Oxidfilms 4 vorzugsweise so klein wie möglich, um die Bildung der Druckleitungsbohrung 8 oder dergleichen nicht zu beeinflussen und liegt beispielsweise in der Größenordnung von 0,5 µ m bis 1,0 µm.
Das zweite Halbleitersubstrat 2 ist dünn poliert und weist in seinem mittleren Abschnitt die Membran 5 auf, deren Umfang durch den Umriss des vertieften Abschnitts 3 definiert ist. Das Halbleiter-Differenzdruckelement 100 weist eine Struktur auf, in der die in dem ersten Halbleitersubstrat 1 ausgebildete Druckleitungsbohrung 8 mit dem der Membran 5 gegenüberliegenden vertieften Abschnitt 3 in Kommunikation steht, wodurch zu der Membran 5 ein Druck geführt wird, der von der Seite der Hauptoberfläche 1b, die die Rückfläche des ersten Halbleitersubstrats 1 ist, ausgeübt wird.
Spannungssensitive Elemente 6, die eine in der Membran 5 auftretende Spannung detektieren, sind innerhalb der Membran 5 angeordnet. Die spannungssensitiven Elemente 6, die typischerweise Piezowiderstände sind, sind über die Diffusionsverdrahtung 9 elektrisch miteinander verbunden, wodurch eine Wheatstone-Brückenschaltung aufgebaut wird. Elektroden 10 für die Stromversorgung und die Signalextraktion sind jeweils an jeder Klemme dieser Brücke ausgebildet.
Die Elektroden 10 sind in einem äußeren Rahmenabschnitt 7 angeordnet, der ein Rahmenabschnitt außerhalb der Membran 5 ist, und sind durch die Diffusionsverdrahtung 9 mit den spannungssensitiven Elementen 6 elektrisch verbunden. Die Fläche und die Dicke der Membran 5 sind unter Berücksichtigung eines zu messenden Druckbereichs, der Empfindlichkeit der spannungssensitiven Elemente 6 und dergleichen ausgelegt, die Membran 5 kann aber beispielsweise bei der Messung von 10 kPa im vollen Maßstab, eine quadratische Form mit einer Seitenlänge von etwa 1,3 mm und einer Dicke von 10 µm aufweisen.
Das Halbleiter-Differenzdrucksensorelement 100, das wie oben beschrieben konfiguriert ist, ist in einem Harzgehäuse 30 montiert, wie in 2 gezeigt ist. In 2 zeigt P1 einen Druck, der auf die vordere Oberflächenseite des Halbleiter-Differenzdrucksensors ausgeübt wird, und P2 zeigt einen Druck, der auf die Rückseite aufgebracht wird. Ferner zeigt in der Figur der durch σh gezeigte Pfeil eine thermische Spannung, die auf das Gehäuse 30 ausgeübt wird. Das Halbleiter-Differenzdrucksensorelement 100 ist fest an dem Harzgehäuse 30 durch ein Die-Bonding-Material 31 befestigt, um sich nicht aufgrund eines Differenzdrucks (P1- P2) zu lösen. Um die Drücke P1 und P2 hermetisch zu trennen, ist das Die-Bonding-Material 31 nicht nur auf der Unterseitenhauptoberfläche 1b des ersten Halbleitersubstrats 1 sondern auch an einer Seitenfläche 1c vorgesehen.
Die Elektroden 10 des Halbleiter-Differenzdrucksensorelements 100 sind mit einem leitfähigen Abschnitt 33 des Gehäuses 30 durch Bonddrähte 34 verbunden. Weiterhin ist zum Schutz des Halbleiter-Differenzdrucksensorelements 100 vor einem Druckmedium, obwohl abhängig vom Zweck, kann ein Gel 32 in Innenabschnitten der Druckleitungsbohrung 8 auf der Vorderseite und der Rückseite des Halbleiter-Differenzdrucksensor vorgesehen sein. Als Material des Gels 32 wird ein Silikon-basiertes Gel, ein Fluor-basiertes Gel oder dergleichen in geeigneter Weise in Abhängigkeit von beispielsweise der Korrosivität des Druckmediums ausgewählt.
Das Harzgehäuse 30 ist hinsichtlich der Kosten und der Bearbeitbarkeit überlegen, da sich das Gehäuse 30 aufgrund einer Änderung der Temperatur der Außenumgebung jedoch ausdehnt oder zusammenzieht, breiten sich thermische Spannungen des Gehäuses 30 über das Die-Bonding-Material 31 zum Halbleiter-Differenzdrucksensorelement 100 aus. Wenn die spannungssensitiven Elemente 6 so angeordnet sind, dass sie über den äußeren Rahmenabschnitt 7 überlappen, wird eine Wärmedehnung, die durch die thermische Spannung σh verursacht wird, von dem Gehäuse 30 ausgebreitet, und wird überlappend mit einer Spannung der Membran 5, die durch die Druckdifferenz (P1- P2) verursacht wird und die ursprünglich gemessen werden soll, gemessen, was einen Messfehler verursacht. Der Halbleiter-Differenzdrucksensor gemäß der ersten Ausführungsform ist derart, dass zur Unterdrückung dieser Art von Messfehler die spannungssensitiven Elemente 6 nur auf der Innenseite der Membran 5 angeordnet sind, wohin es für die thermischen Spannungen von dem Gehäuse 30 schwierig ist, sich auszubreiten.
Bevor ein Herstellungsverfahren des Halbleiter-Differenzdrucksensorelements 100 gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben wird, wird eine kurze Beschreibung unter Verwendung der 18 bis 20 eines Herstellungsverfahrens eines bisher bekannten Halbleiter-Differenzdrucksensorelements als Vergleichsbeispiel gegeben. Zuerst, wie in 18 (a) gezeigt ist, wird ein erster vertiefter Abschnitt 105a in einem ersten Substrat 101 ausgebildet. Als nächstes wird, nachdem ein Schutzfilm 107 in mindestens einem Abschnitt innerhalb des ersten vertieften Abschnitts 105a ausgebildet ist, wie in 18 (b) gezeigt ist, ein zweiter vertiefter Abschnitt 106a in einem Bodenabschnitt des ersten vertieften Abschnitts 105a ausgebildet, wie in 18 (c) gezeigt ist.
Anschließend wird, wie in 19 (a) gezeigt ist, ein zweites Substrat 102, auf dem ein Schutzfilm 108 ausgebildet ist, mit einer Oberfläche des ersten Substrats 101 verbunden, in der der erste vertiefte Abschnitt 105a ausgebildet ist, wodurch ein erster Hohlraumabschnitt 105 gebildet wird. Anschließend wird, wie in 19 (b) gezeigt ist, das zweite Substrat 102 in seiner Dicke reduziert, um eine Membran 103 zu bilden. Anschließend wird, wie in 20 (a) gezeigt ist, ein spannungssensitives Element 104 und ein leitfähiger Abschnitt in der Membran 103 ausgebildet. Weiterhin ist, wie in 20 (b) gezeigt ist, das erste Substrat 101 von der äußeren Oberflächenseite her in seiner Dicke reduziert, um einen Öffnungsabschnitt zu bilden, der mit dem zweiten vertieften Abschnitt 106a verbunden ist, wodurch ein zweiter Hohlraumabschnitt 106 gebildet wird.
Als nächstes wird eine Beschreibung unter Verwendung der 3 bis 5 eines Herstellungsverfahrens des Halbleiter-Differenzdrucksensorelements 100 gemäß der ersten Ausführungsform gegeben. Zuerst wird, wie in 3 (a) gezeigt ist, ein Bereich der einen Hauptoberfläche 1a des ersten Halbleitersubstrats 1, in dem der vertiefte Abschnitt 3 gebildet wird, geätzt, wobei ein Abschnitt verbleibt, wodurch der vertiefte Abschnitt 3 mit einer Opfersäule 12 (Vertiefung-Abschnitts-Bildungsschritt) gebildet wird. Speziell sind Abschnitte des ersten Halbleitersubstrats 1, die von dem Abschnitt verschieden sind, in dem der vertiefte Abschnitt 3 gebildet wird (d.h., einschließlich des Abschnitts, in dem die Opfersäule 12 gebildet wird), mit einem Fotolack (Resist) oder dergleichen abgedeckt und durch ein Bosch-Verfahren oder dergleichen geätzt, wodurch gleichzeitig der vertiefte Abschnitt 3 und die Opfersäule 12 gebildet werden.
Die Opfersäule 12 ist typischerweise eine quadratische Säule, kann aber ebenfalls eine runde Säule sein. Es gibt einen gewissen Freiheitsgrad für die Anzahl und Anordnung der Opfersäulen 12, aber die Opfersäule 12 ist vorzugsweise im Wesentlichen im mittleren Abschnitt des vertieften Abschnitts 3 angeordnet. Die Opfersäule 12 dient dazu, die Membran 5 so zu halten, dass sie verhindert, dass die Membran 5 in einem Membranbildungsschritt und einem Funktionselementbildungsschritt, die nachfolgend beschrieben werden, zerbricht. Folglich ist es wichtig, die Opfersäule 12 so auszubilden, dass die Resonanzfrequenz der Membran 5, die von der Opfersäule 12 gehalten wird, in die Nähe der Frequenz jeder Art von äußerer Kraft in dem Membranbildungsschritt und dem Funktionselementbildungsschritt ist.
Anschließend wird das zweite Halbleitersubstrat 2 mit dem Oxidfilm 4 hergestellt, wie in 3 (b) gezeigt ist, und die eine Hauptoberfläche 1a des ersten Halbleitersubstrats 1, in der der vertiefte Abschnitt 3 und die Opfersäule 12 ausgebildet sind, und die eine Hauptoberfläche 2a des zweiten Halbleitersubstrats 2 sind, wie in 4 (a) (Verbindungschritt) gezeigt, miteinander verbunden. Eine direkte Verbindung, die als SOI-Wafer-Fertigungstechnologie etabliert ist, eignet sich für die Verbindung. Das heißt, das gut gereinigte erste Halbleitersubstrat 1 und das gut gereinigte zweite Halbleitersubstrat 2 werden, nachdem sie vorläufig bei Raumtemperatur miteinander verbunden worden sind, unter einer oxidierenden Atmosphäre in der Größenordnung von 1100° C wärmebehandelt, wodurch eine robuste Verbindungsfestigkeit erhalten wird.
Anschließend wird das zweite Halbleitersubstrat 2 von der Seite der anderen Hauptoberfläche 2b in der Dicke reduziert, wie in 4 (b) gezeigt ist, wodurch die Membran 5 mit einer vorbestimmten Dicke gebildet wird, wie in 5 (a) (Membranbildungsschritt) gezeigt ist. Die Reduzierung der Dicke des zweiten Halbleitersubstrats 2 wird durchgeführt, indem es durch eine Schleifmaschine oder dergleichen geschliffen wird und weiter poliert wird. Bei dem zuvor beschriebenen Vergleichsbeispiel ist es häufig der Fall, dass eine sehr große äußere Kraft auf die Membran 103 in dem Schritt des Reduzierens der Dicke des zweiten Substrats 102 und somit bilden der Membran 103 (siehe 19 (b)) einwirkt, und zu einem Bruch führt. Bei dem Herstellungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform wird jedoch, wenn die Membran 5 von der Opfersäule 12 gehalten wird, ein Bruch der Membran 5 beim Reduzieren der Dicke unterdrückt.
Anschließend werden, wie in 5 (b) gezeigt ist, die in der Membran 5 angeordneten spannungssensitiven Elemente 6, die Elektroden 10, die in dem äußeren Rahmenabschnitt 7 außerhalb der Membran 5 angeordnet sind, und die Diffusionsverdrahtung 9, die die spannungssensitiven Elemente 6 und die Elektroden 10 elektrisch verbindet, gebildet, und ferner wird ein Schutzfilm 11, der diese Funktionselemente schützt, auf dem zweiten Halbleitersubstrat 2 ausgebildet, in dem die Membran 5 ausgebildet ist (Funktionselementbildungsschritt). Jede Formation wird durch ein Halbleiterwaferverfahren durchgeführt. Die spannungssensitiven Elemente 6 sind beispielsweise Piezowiderstände und werden durch Implantation von Verunreinigungen, deren Polarität der Polarität des Verunreinigungstyps des zweiten Halbleitersubstrats 2 entgegengesetzt ist, durch Ionenimplantation oder dergleichen ausgebildet. Die Diffusionsverdrahtung 9 ist ebenfalls in gleicher Weise ausgebildet, aber da sie als Leiter verwendet wird, ist sie so ausgebildet, dass sie einen geringeren Widerstand aufweist.
Ein Reinigungsschritt, wie Ultraschallreinigung, Megasonic-Reinigung, Bürstenreinigung oder Hochdruck-Strahlreinigung, wird wiederholt in der Reihe von Halbleiter-Wafer-Prozessen durchgeführt. Bei dem zuvor beschriebenen Vergleichsbeispiel besteht das Problem, dass der wiederholte Reinigungsschritt oftmals einen Bruch der Membran 5 verursacht und solche Wafer je nach Bruchgrad weggeworfen werden müssen, wodurch die Ausbeute sehr gering ist. Im Gegensatz dazu wird bei dem Herstellungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform, wenn die Opfersäule 12 die Membran 5 hält, ein Bruch der Membran 5 unterdrückt.
Schließlich, wie in 5 (c) gezeigt ist, wird das erste Halbleitersubstrat 1 so geätzt, dass es von der anderen Hauptoberfläche 1b bis hin zu einer Bodenfläche 3a des vertieften Abschnitts 3 hindurchtritt, wodurch die Opfersäule 12 zur gleichen Zeit wie das Ausbilden der Druckleitungsbohrung 8 Druckleitungs-bohrungsbildungsschritt) durchgeführt wird. Das Ätzen unter Verwendung eines Bosch-Verfahrens wird verwendet, um die Druckleitungsbohrung 8 zu bilden. In diesem Schritt löst sich die Opfersäule 12 zum gleichen Zeitpunkt auf wie die Druckleitungsbohrung 8 durch Ätzen gebildet wird, da eine Breitenabmessung L2 der Druckleitungsbohrung 8 größer ist als eine Breitenabmessung Lp der in 5 (b) gezeigten Opfersäule (L2> Lp), und die Druckleitungsbohrung 8 die Opfersäule 12 aufweist.
In dem Druckleitungsbildungsschritt wirkt, wenn der Oxidfilm 4 auf der Hauptoberfläche 2a des zweiten Halbleitersubstrats 2 ausgebildet ist, selbst in dem Fall, dass das Ätzen zum Entfernen der Opfersäule 12 überätzt, der Oxidfilm 4 als ein Ätzstopper, und die Membran 5 wird nicht geätzt. Das Halbleiter-Differenzdrucksensorelement 100 gemäß der ersten Ausführungsform wird durch die obigen Schritte vervollständigt.
Ferner zeigt 6 (a) eine Draufsicht, die ein Modifikationsbeispiel der Opfersäule in dem Herstellungsverfahren für das Halbleiter-Differenzdrucksensorelement gemäß der ersten Ausführungsform zeigt, und 6 (b) ist eine Schnittansicht durch B-B in 6 (a) und zeigt die gleiche Herstellungsstufe wie in 5 (b), d.h., einen Zustand unmittelbar vor dem Bilden der Druckleitungsbohrung 8. In dem Modifikationsbeispiel ist eine hohle strukturelle Opfersäule 12a als Opfersäule vorgesehen, die die Membran 5 hält. Die hohle strukturelle Opfersäule 12a ist im Vergleich zu der Opfersäule 12, die eine quadratische Säule ist, leicht zu ätzen und kann effizient entfernt werden.
Wie oben, da gemäß der ersten Ausführungsform eine Konfiguration derart ist, dass die spannungssensitiven Elemente 6 nur innerhalb der Membran 5 angeordnet sind und durch die Diffusionsverdrahtung 9 mit den Elektroden 10 elektrisch verbunden sind, die in dem äußeren Rahmenabschnitt 7 außerhalb der Membran 5 angeordnet sind, ist es für thermische Spannungen, die durch die Ausdehnung oder Kontraktion des Gehäuses 30 verursacht werden, schwierig, sich bis hin zu den spannungssensitiven Elementen 6 auszubreiten, wodurch ein hochpräziser Halbleiter-Differenzdrucksensor mit wenigen charakteristischen Schwankungen, die sich aus einer Änderung der Außentemperatur ergeben, geschaffen wird.
Ferner ist es, da gemäß dem Herstellungsverfahren für einen Halbleiter-Differenzdrucksensor gemäß der ersten Ausführungsform eine Konfiguration derart ist, dass die Opfersäule 12, 12a innerhalb des vertieften Abschnitts 3 vorgesehen ist und die Membran 5 von der Opfersäule 12, 12a gehalten wird, in dem Membranbildungsschritt, in dem das zweite Halbleitersubstrat 2 in dessen Dicke reduziert wird, und in dem Funktionselementbildungsschritt, in dem wiederholt ein Reinigungsschritt in den Halbleiterwaferprozessen durchgeführt wird, möglich, einen Bruch der Membran 5 in den Schritten zu verhindern, wodurch eine signifikante Verbesserung der Ausbeute erzielt wird.
Ferner kann durch Ausbilden der Opfersäule 12a in einer hohlen Struktur die Opfersäule 12a effizienter und zuverlässiger in dem Druckleitungsbildungsschritt entfernt werden, wodurch eine weitere Verbesserung der Ausbeute erreicht wird. Da die Opfersäule 12, 12a zur gleichen Zeit wie die Bildung des vertieften Abschnitts 3 gebildet werden kann und gleichzeitig mit der Bildung der Druckleitungsbohrung 8 entfernt werden kann, gibt es keine Erhöhung der Anzahl von Schritten um die Opfersäule 12, 12a zu bilden und zu entfernen, womit eine Erhöhung der Herstellungskosten vermieden werden kann.
Ferner, wenn eine Konfiguration derart ist, dass die Druckleitungsbohrung 8 durch Ätzen des ersten Halbleitersubstrats 1 von der Seite der anderen Hauptoberfläche 1b bis hin zu der Bodenfläche 3a des vertieften Abschnitts 3 gebildet wird, kann die Hochpräzisionsdruckleitungsbohrung 8 leicht durch preiswerte Schritte gebildet werden. Bei dem Druckleitungsbohrungsbildungsverfahren des Vergleichsbeispiels bestehen Probleme bei der Fotolackaufbringbarkeit, wenn der zweite vertiefte Abschnitt 106a im Bodenabschnitt des ersten vertieften Abschnitts 105a weiter verlängert wird und in der Photogravur-Präzision des zweiten vertieften Abschnitts 106a, jedoch bestehen keine derartigen Probleme in dem Druckleitungsbohrungsbildungsschritt gemäß der ersten Ausführungsform.
Weiterhin, da bei dem Halbleiter-Differenzdrucksensor-Herstellungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform es nicht notwendig ist, das erste Halbleitersubstrat 1 nach dem Ausbilden von Funktionselementen wie der Membran 5 und den spannungssensitiven Elementen 6 zu schleifen oder zu polieren, wird die Membran 103 nicht gebrochen oder werden das spannungssensitive Element 104 oder dergleichen nicht durch das Schleifen und Polieren des Oberflächensubstrats 101 beschädigt, wie im Vergleichsbeispiel. Folglich ist es gemäß der ersten Ausführungsform möglich, ein Herstellungsverfahren für einen Halbleiterdifferenzdrucksensor bereitzustellen, das kostengünstig und hoch in der Ausbeute ist.
ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM
7 (a) ist eine Draufsicht, die ein Halbleiter-Differenzdrucksensorelement gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt, und 7 (b) ist eine Schnittansicht durch C-C in 7 (a). Da die Baugruppenstruktur eines Halbleiter-Differenzdrucksensors gemäß der zweiten Ausführungsform der gleiche ist wie in der ersten Ausführungsform, wird 2 verwendet. Ein Halbleiter-Differenzdrucksensorelement 100A gemäß der zweiten Ausführungsform weist Spannungsabbaunuten 13 auf, die in der Nähe der spannungssensitiven Elemente 6 entlang der Form der Membran 5 angeordnet sind. Da die weiteren Konfigurationen die gleichen sind wie bei der ersten Ausführungsform, wird eine Beschreibung ausgelassen.
Die Spannungsabbaunuten 13 sind um und entlang des vertieften Abschnitts 3 der einen Hauptoberfläche 1a des ersten Halbleitersubstrats 1 vorgesehen. Auf diese Weise kann durch die Bereitstellung der Spannungsabbaunuten 13 entlang der Begrenzung der Membran 5 die durch Ausdehnung oder Kontraktion des Gehäuses 30 verursachte thermische Spannung wirksam daran gehindert werden, sich bis zu den spannungssensitiven Elementen 6 auszubreiten.
Ferner zeigt 8 (a) eine Draufsicht, die ein Modifikationsbeispiel des Halbleiter-Differenzdrucksensorelements gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt, und 8 (b) zeigt eine Schnittansicht des Abschnitts D-D in 8 (a). Ein Halbleiter-Differenzdrucksensorelement 100B, das ein Modifikationsbeispiel der zweiten Ausführungsform ist, weist in der einen Hauptoberfläche 1a des ersten Halbleitersubstrats 1 Spannungsabbaunuten 13a und 13b einer verschachtelten Struktur auf, in der die Spannungsabbaunuten 13a und 13b mehrfach die Außenseite des vertieften Abschnitts 3 umgreifen. Durch Ausbilden der Spannungsabbaunuten 13a und 13b in die mehrfach verschachtelte Struktur wird die thermische Spannungssperrwirkung weiter verbessert.
Es ist bevorzugt, dass die Breitenabmessung der Spannungsabbaunuten 13, 13a, 13b in der Größenordnung von 10 µm liegt. Wenn die Breitenabmessung der Spannungsabbaunuten 13, 13a, 13b zu groß ist, besteht die Möglichkeit, dass die Spannungsabbaunuten 13, 13a, 13b wie kleine Membranen wirken, wodurch die Messgenauigkeit verringert oder die Verbindungsfähigkeit zwischen dem ersten Halbleitersubstrat 1 und dem zweiten Halbleitersubstrat 2 verringert wird. Ferner ist die Tiefenabmessung der Spannungsabbaunuten 13, 13a, 13b grundsätzlich die gleiche wie die des vertieften Abschnitts 3, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Wenn die Spannungsabbaunuten 13, 13a, 13b und der vertiefte Abschnitt 3 die gleiche Tiefenabmessung aufweisen, ist es effizient, da die Spannungsabbaunuten 13, 13a, 13b und der vertiefte Abschnitt 3 gleichzeitig gebildet werden können.
Gemäß der zweiten Ausführungsform ist es zusätzlich zu den gleichen Vorteilen wie bei der ersten Ausführungsform möglich, durch die Bereitstellung der Spannungsabbaunuten 13, 13a, 13b entlang des vertieften Abschnitts 3 die thermischen Spannungen von dem Gehäuse 30 effektiver zu blockieren, wodurch ein sehr hochpräziser Halbleiter-Differenzdrucksensor mit viel weniger charakteristischen Schwankungen, die sich aus einer Änderung der Außentemperatur ergeben, geschaffen werden kann. Ferner, wenn die Spannungsabbaunuten 13, 13a, 13b gleichzeitig mit dem vertieften Abschnitt 3 ausgebildet werden können, wird eine Verbesserung der Messgenauigkeit erreicht, ohne dass irgendwelche Komplikationen der Herstellungsschritte erforderlich sind.
DRITTE AUSFÜHRUNGSFORM
9 zeigt eine Baugruppenstruktur eines Halbleiter-Differenzdrucksensors gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Halbleiter-Differenzdrucksensorelement 100C gemäß der dritten Ausführungsform sowie ein überhängender Abschnitt 14, der ein abgestufter Abschnitt ist, an der Seitenfläche 1c des ersten Halbleitersubstrats 1, weist kleine muldenkammförmige Bereiche 15 und 15a an der Seitenfläche 1c und der Hauptoberfläche 1b auf. Da die weiteren Konfigurationen die gleichen sind wie bei der ersten Ausführungsform, wird eine Beschreibung ausgelassen.
Bei einem Halbleiter-Differenzdrucksensor wird, um die hermetische Trennung zwischen Vorder- und Rückseite zu gewährleisten, ein Die-Bonding-Material dick, nicht nur auf die Rückfläche, sondern auch an der Seitenfläche eines Halbleiter-Differenzdrucksensorelements aufgebracht. Aus diesem Grund besteht bei einem bisher bekannten Halbleiter-Differenzdrucksensor-Herstellungsverfahren das Problem, dass eine Variation in der Menge und der Position des Aufbringens des Die-Bonding-Materials auftritt und das Die-Bonding-Material sogar auf eine Elektrode an der Vorderseite des Halbleiter-Differenzdrucksensorelements kriecht, aufgrund von Oberflächenspannung oder dergleichen, wodurch die Zuverlässigkeit der Drahtverbindung signifikant verringert wird.
Ferner besteht das Problem, dass, obwohl sich das Halbleiter-Differenzdrucksensorelement nicht von dem Gehäuse löst, ein Teil der Grenzfläche zwischen der Rückfläche und der Seitenfläche des Halbleiter-Differenzdrucksensorelements und des Die-Bonding-Materials sich trennen und einen kleinen Leckagepfad, der mit der Außenseite in Kommunikation steht, bilden, wodurch es unmöglich wird, die hermetische Trennung zwischen der Vorder- und Rückseite des Halbleiter-Differenzdrucksensorelements aufrechtzuerhalten. Zum Erfassen der Filterverstopfung ist diese Art von hermetischem Trennfehler ein schwerwiegender Defekt, so dass das Ereignis der Filterverstopfung überhaupt nicht erkannt werden kann und stellt ein ernsteres Problem dar als eine Abnahme der Messgenauigkeit.
Das Halbleiter-Differenzdrucksensorelement 100C gemäß der dritten Ausführungsform besteht darin, die oben beschriebenen Arten von Problemen zu lösen, und weist als eine Einheit für diesen Zweck den überhängenden Abschnitt 14 auf, der ein abgestufter Abschnitt an der Seitenfläche 1c ist, die die Hauptoberflächen 1a und 1b des ersten Halbleitersubstrats 1 verbindet. Aus diesem Grund ist das erste Halbleitersubstrat 1 derart ausgebildet, dass der Bereich dessen Hauptoberfläche 1a, der mit dem zweiten Halbleitersubstrat 2 verbunden ist, größer ist als der Bereich der Rückseitenhauptoberfläche 1b. Durch die Umsetzung dieser Art von Struktur ist das Halbleiter-Differenzdrucksensorelement 100C derart ausgebildet, dass das Aufklappen des Die-Bonding-Materials 31 durch den überhängenden Abschnitt 14 unterdrückt werden kann, selbst wenn das Die-Bonding-Material 31 dick auf der Rückseitenhauptoberfläche 1b und der Seitenfläche 1c des ersten Halbleitersubstrats 1 aufgebracht wird, und es ist somit möglich, die Zuverlässigkeit der Drahtbindung zu verbessern.
Weiterhin ist es als eine andere Einheit zum Unterdrücken des Kriechens des Die-Bonding-Materials 31 wirksam, kleine muldenkammförmige Bereiche, wie in den 10 und 11 gezeigt, in Abschnitten des Halbleiter-Differenzdrucksensorelements 100C in Kontakt mit dem Die-Bonding-Material 31 vorzusehen. 10 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht des in 9 gezeigten Abschnitts S, und 11 ist eine teilweise vergrößerte Schnittansicht des in 9 gezeigten Abschnitts B.
Ein in der 10 gezeigter, muldenkammförmiger Bereich 15 ist in einem Abschnitt an der Rückseitenflächenseite des überhängenden Abschnitts 14 der Seitenfläche 1c vorgesehen, die die eine Hauptoberfläche 1a und die andere Hauptoberfläche 1b des ersten Halbleitersubstrats 1 verbindet. Eine Breitenabmessung X1 und eine Tiefenabmessung Y1 des kleinen muldenkammförmigen Bereichs 15 liegen typischerweise in der Größenordnung von 1 µm bis 5 µm.
Ebenso ist ein in 11 gezeigter, muldenkammförmiger Bereich 15a an der Hauptoberfläche 1b des ersten Halbleitersubstrats 1 vorgesehen, die die Rückfläche des Halbleiter-Differenzdrucksensorelements 100C ist. Eine Breitenabmessung X2 und eine Tiefenabmessung Y2 des kleinen muldenkammförmigen Bereichs 15a liegen beide typischerweise in der Größenordnung von 1 µm bis 5 µm, und die Breitenabmessung der Kämme liegt ebenfalls in der Größenordnung von 1 µm bis 5 µm. Der an der Rückseite des Halbleiter-Differenzdrucksensorelements 100C vorgesehene kleine, muldenkammförmige Bereich 15a kann mit einem höheren Freiheitsgrad als der auf der Seitenfläche vorgesehene kleine, muldenkammförmige Bereich 15 ausgebildet sein.
Das Halbleiter-Differenzdrucksensorelement 100C gemäß der dritten Ausführungsform kann den überhängenden Abschnitt 14, den kleinen, muldenkammförmigen Bereich 15 an der Seitenfläche oder den winzigen muldenkammförmigen Bereich 15a an der Rückseite umfassen. Durch das Vorsehen aller von ihnen wird jedoch ein hoher synergistischer Effekt erzielt. Ferner können in jedem der Halbleiter-Differenzdrucksensorelemente 100, 100A und 100B gemäß der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform, die keinen überhängenden Abschnitt 14 aufweisen, die kleinen muldenkammförmigen Bereiche 15 und 15a auf der Seitenfläche 1c und der Hauptoberfläche 1b an der Rückflächenseite des ersten Halbleitersubstrats 1 vorgesehen werden.
Es wird eine Beschreibung unter Verwendung der 12 bis 13 eines Herstellungsverfahrens des Halbleiter-Differenzdrucksensorelements 100C gemäß der dritten Ausführungsform gegeben. Hierin wird nur ein Druckleitungsbohrungsbildungsschritt beschrieben, und als ein Verbindungsschritt werden ein Membranbildungsschritt und ein Funktionselementbildungsschritt, die gleich sind wie in der ersten Ausführungsform, genutzt und eine Beschreibung deren wird ausgelassen.
In der dritten Ausführungsform wird in dem Druckleitungsbohrungsbildungsschritt, wie in 12 (a) gezeigt ist, ein erster Schutzfilm 16 auf der Hauptoberfläche 1b an der Rückseite des ersten Halbleitersubstrats 1 ausgebildet und Bereiche des ersten Schutzfilms 16, in denen die Druckleitungsbohrung 8 später ausgebildet wird und in welchen später der überhängende Abschnitt 14 gebildet wird, werden entfernt und geöffnet. Anschließend wird auf dem ersten Schutzfilm 16 des ersten Halbleitersubstrats 1 ein zweiter Schutzfilm 17 gebildet und ein Bereich des zweiten Schutzfilms 17, in dem die Druckleitungsbohrung 8 gebildet wird, wird entfernt und geöffnet. Filme mit unterschiedlichem Material werden verwendet, beispielsweise wird als erster Schutzfilm 16 ein Oxidfilm verwendet und beispielsweise wird als zweiter Schutzfilm 17 ein Nitridfilm verwendet.
Als nächstes wird, wie in 12 (b) gezeigt ist, das erste Halbleitersubstrat 1, auf dem der erste Schutzfilm 16 und der zweite Schutzfilm 17 ausgebildet sind, um eine vorbestimmte Tiefe D1 von der Seite der Hauptoberfläche 1b geätzt, wodurch ein erster vertiefter Abschnitt 8a der Tiefe D1 in einem Bereich gebildet wird, in dem die Druckleitungsbohrung 8 ausgebildet werden soll. Bei Verwendung eines 8-Zoll-Wafers ist D1 beispielsweise in der Größenordnung von 100 µm bis 200 µm. Als Ätzen wird typischerweise DRIE (Deep Reactive Ion Etching) unter Verwendung eines Bosch- Prozesses verwendet. Anschließend wird, wie in 13 (a) gezeigt ist, nur der zweite Schutzfilm 17 unter Verwendung der Materialselektivität entfernt, wodurch der erste Schutzfilm 16 und Öffnungsabschnitte des ersten Schutzfilms 16 freigelegt werden, in denen die Druckleitungsbohrung 8 und der überhängende Abschnitt 14 später gebildet werden sollen.
Als nächstes wird, wie in 13 (b) gezeigt ist, das erste Halbleitersubstrat 1, auf dem der erste Schutzfilm 16 ausgebildet ist, um eine Tiefe D2 von der Hauptoberfläche 1b durch DRIE unter Verwendung eines Bosch-Verfahrens geätzt. D2 ist die Differenz zwischen der Dicke und D1 des ersten Halbleitersubstrats 1 und die Summe von D1 und D2 ist gleich der Dicke des ersten Halbleitersubstrats 1. Im Fall eines 8-Zoll-Wafers ist D2 beispielsweise in der Größenordnung von 500 µm bis 600 µm. Durch das Ätzen wird die Opfersäule 12 zur gleichen Zeit entfernt wie der überhängende Abschnitt 14, der an der Seitenfläche des ersten Halbleitersubstrats 1 in einem Abstand D1 von der einen Hauptoberfläche 1a angeordnet ist, und die Druckleitungsbohrung 8 gebildet werden.
Anschließend werden nach Bedarf an der Seitenfläche 1c und der Hauptoberfläche 1b des ersten Halbleitersubstrats 1 regelmäßige, kleine, muldenkammförmige Bereiche 15 und 15a gebildet. Die kleinen muldenkammförmigen Bereiche 15 und 15a können zu einer Mikro-Jakobsmuschelstruktur geformt werden, beispielsweise durch Ätzen unter Verwendung eines Bosch-Verfahrens. Da das Bosch-Verfahren so ist, dass die Tiefe und Größe der Mulden und Kämme durch Einstellen eines Ätzvorgangs eingestellt werden können, eignet sich das Bosch-Verfahren zur Bildung der kleinen, muldenkammförmigen Bereiche 15 und 15a. Das Halbleiter-Differenzdrucksensorelement 100C gemäß der dritten Ausführungsform wird durch die obigen Schritte vervollständigt.
Gemäß der dritten Ausführungsform kann zusätzlich zu den gleichen Vorteilen wie bei der ersten Ausführungsform durch Vorsehen des überhängenden Abschnitts 14 an der Seitenfläche des Halbleiter-Differenzdrucksensorelements 100C das Aufklappen des Die-Bonding-Materials 31 unterdrückt werden. Aus diesem Grund können, da die Verbindungsflächen der Elektroden 10, die in dem äußeren Rahmenabschnitt 7 an der vorderen Oberflächenseite des Halbleiter-Differenzdrucksensorelements 100C positioniert sind, sauber gehalten werden und die Drahtverbindungszuverlässigkeit kann verbessert werden. Ferner ist es durch die Bereitstellung des überhängenden Abschnitts 14 einfach, die Menge und die Position des Aufbringens des Die-Bonding-Materials 31 zu steuern, und die hermetische Trennung zwischen der Vorder- und Rückseite des Halbleiter-Differenzdrucksensors kann zuverlässig durchgeführt werden.
Ferner kann, da der Kontaktbereich mit und der Abstand der Grenzfläche mit dem Die-Bonding-Material 31 drastisch erhöht werden können, indem die kleinen muldenkammförmigen Bereiche 15 und 15a in den Bereichen des Halbleiter-Differenzdrucksensorelements 100C vorgesehen werden, die in Kontakt mit dem Die-Bonding-Material 31 sind, das Kriechen des Die-Bonding-Materials weiter unterdrückt werden, und die Möglichkeit, dass der Leckagepfad mit der Außenseite verbindet, kann deutlich reduziert werden, wodurch eine Verbesserung der hermetischen Zuverlässigkeit erreicht wird.
Ferner verbessert sich die Kraft, mit der das Die-Bonding-Material 31 das Halbleiter-Differenzdrucksensorelement 100C hält, wenn die kleinen muldenkammförmigen Bereiche 15 und 15a hart in das Die-Bonding-Material 31 eingreifen (bite). Folglich ist es schwierig für das Halbleiter-Differenzdrucksensorelement 100C, sich von dem Gehäuse 30 zu lösen, und eine Hochpräzisionsmessung kann auch in einer Umgebung mit einer großen Druckdifferenz durchgeführt werden.
VIERTE AUSFÜHRUNGSFORM
14 zeigt ein Halbleiter-Differenzdrucksensorelement gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Da die Baugruppenstruktur eines Halbleiter-Differenzdrucksensors gemäß der vierten Ausführungsform die gleiche ist wie bei der dritten Ausführungsform, wird 9 verwendet. Ein Halbleiter-Differenzdrucksensorelement 100D gemäß der vierten Ausführungsform mit einer Kommunikationsbohrung 18 zwischen der Druckleitungsbohrung 8 und dem vertieften Abschnitt 3 ist so konfiguriert, dass sie verhindert, dass das Die-Bonding-Material 31 die Druckleitungsbohrung 8 verschließt, indem die Öffnungsquerschnittsfläche der Druckleitungsbohrung 8 größer ist als die Querschnittsfläche der Kommunikationsbohrung 18. Da die weiteren Konfigurationen die gleichen sind wie bei der dritten Ausführungsform, wird eine Beschreibung deren ausgelassen.
Wie in 14 gezeigt ist, ist das erste Halbleitersubstrat 1, das das Halbleiter-Differenzdrucksensorelement 100D ausbildet, so eingerichtet, dass eine Öffnungsweite L2 der Druckleitungsbohrung 8 an der Seite, die mit der Außenseite in Kommunikation steht, größer ist als eine Öffnungsweite L3 der Kommunikationsbohrung 18, die mit dem vertieften Abschnitt 3, der den Umriss der Membran 5 definiert, in Kommunikation steht. Auf diese Weise kann die Struktur mit der Kommunikationsbohrung 18 zwischen der Druckleitungsbohrung 8 und dem vertieften Abschnitt 3 gleichzeitig durch Ätzen des ersten Halbleitersubstrats 1 bei der Bildung des überhängenden Abschnitts 14 gebildet werden.
Als ein Problem des bisher bekannten Halbleiter-Differenzdrucksensors besteht das Problem, dass das Die-Bonding-Material zum Halten des Halbleiter-Differenzdrucksensorelements an dem Gehäuse in die Druckleitungsbohrung überläuft und im schlimmsten Fall die Druckleitungsbohrung verschließt, sodass es unmöglich ist, einen gewünschten Druck zu messen. Im Gegensatz dazu ist der Halbleiter-Differenzdrucksensor gemäß der vierten Ausführungsform derart ausgebildet, dass, wenn die Öffnungsquerschnittsfläche der Druckleitungsbohrung 8 groß gemacht wird, indem die Kommunikationsbohrung 18 zwischen der Druckleitungsbohrung 8 und dem vertieften Abschnitt bereitgestellt wird, es schwierig ist, dass die Druckleitungsbohrung 8 durch das Die-Bonding-Material 31 verschlossen wird, selbst wenn eine große Menge an Die-Bonding-Material 31 aufgebracht wird oder wenn eine Veränderung in der Aufbringungsposition auftritt.
Gemäß der vierten Ausführungsform ist es zusätzlich zu den gleichen Vorteilen wie bei der dritten Ausführungsform möglich, die Öffnungsquerschnittsfläche der Druckleitungsbohrung 8 größer als in der dritten Ausführungsform zu machen, womit es möglich ist, die Gefahr, dass die Druckleitungsbohrung 8 durch das Die-Bonding-Material 31 verschlossen wird, drastisch zu verringern, wodurch ein höher zuverlässiger Halbleiter-Differenzdrucksensor erhalten wird.
FÜNFTE AUSFÜHRUNGSFORM
15 zeigt eine Baugruppenstruktur eines Halbleiter-Differenzdrucksensors gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung. Da das Halbleiter-Differenzdrucksensorelement 100 gemäß der fünften Ausführungsform das gleiche ist wie das in der ersten Ausführungsform, wird eine Beschreibung desses ausgelassen. Der Halbleiter-Differenzdrucksensor gemäß der fünften Ausführungsform weist eine Vielzahl von Nuten 35 in einem Abschnitt auf, der mit dem ersten Halbleitersubstrat 1 verbunden werden soll, in dem Gehäuse 30, in dem das Halbleiter-Differenzdrucksensorelement 100 angebracht ist.
Bei dem bisher bekannten Halbleiter-Differenzdrucksensor besteht das Problem, dass ein Teil der Grenzfläche zwischen dem Die-Bonding-Material und dem Gehäuse sich trennt und dass der Leckagepfad in dem Abschnitt ausgebildet wird. Um dieses Problem zu lösen, weist das Gehäuse 30 des Halbleiter-Differenzdrucksensors gemäß der fünften Ausführungsform die Vielzahl von Nuten 35 in einem Abschnitt des Gehäuses 30 auf, der mit der Hauptoberfläche 1b auf der Rückflächenseite verbunden werden soll. Das erste Halbleitersubstrat 1. Durch Vorsehen der Nuten 35 nimmt die Kontaktfläche des Die-Bonding-Materials 31 mit dem Gehäuse 30 deutlich zu, was bewirkt, dass das Die-Bonding-Material 31 in das Gehäuse 30 eindringt und das Halbleiter-Differenzdrucksensorelement 100 fest an dem Gehäuse 30 gehalten wird.
Ferner, da der Abstand der Grenzfläche zwischen dem Gehäuse 30 und dem Die-Bonding-Material 31 signifikant zunimmt, ist es schwierig, dass der Leckagepfad auftritt. Weiterhin werden, da die durch die Ausdehnung oder Kontraktion des Gehäuses 30 verursachten thermischen Spannungen durch die Nuten 35 absorbiert werden, charakteristische Schwankungen, die sich aus einer Änderung der Außentemperatur ergeben, unterdrückt, wodurch eine stabile und hohe Messgenauigkeit erhalten wird.
Gemäß der fünften Ausführungsform wird zusätzlich zu den gleichen Vorteilen, wie bei der ersten Ausführungsform, indem die Vielzahl von Nuten 35 in dem Abschnitt des Gehäuses 30, der mit dem ersten Halbleitersubstrat 1 verbunden werden soll, vorgesehen sind, eine Verbesserung der hermetischen Zuverlässigkeit und Messgenauigkeit erreicht.
SECHSTE AUSFÜHRUNGSFORM
16 (a) ist eine Draufsicht, die ein Halbleiter-Differenzdrucksensorelement gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung zeigt; 16 (b) zeigt eine Schnittansicht durch E-E in 16 (a), und 17 zeigt eine Unteransicht, die das Halbleiter-Differenzdrucksensorelement gemäß der sechsten Ausführungsform zeigt. In den 16 (b) und 17 sind die in einem Herstellungsverfahren zu bildenden und zu entfernenden Opfersäulen 12b durch gestrichelte Linie dargestellt.
Um eine minimale Druckdifferenz mit einem Halbleiter-Differenzdrucksensor zu erfassen, ist es bevorzugt, die Steifigkeit einer Membran niedrig einzustellen, und die Membran ist unvermeidlich dünn und groß. Aus diesem Grund hat der bisher bekannte Halbleiter-Differenzdrucksensor das Problem, dass, wenn plötzlich eine übermäßige Druckdifferenz angelegt wird, die Membran eine beträchtlich große Auslenkung erfährt, was zu einem Bruch führt. Um dieses Problem zu lösen, weist ein Halbleiter-Differenzdrucksensorelement 100E gemäß der sechsten Ausführungsform einen Stopper (Anschlag) 19 auf, der eine Verschiebung der Membran 5 unterdrückt.
Der Stopper 19 wird von vier Seiten durch Stützbalken 20 innerhalb der Druckleitungsbohrung 8 des ersten Halbleitersubstrats 1 gehalten, wie in 17 gezeigt ist. Wenn der Stopper 19 eine Verschiebung der Membran 5 unterdrückt, wenn die Auslenkung der Membran 5 durch ein plötzliches Anlegen einer übermäßigen Druckdifferenz auf das Halbleiter-Differenzdrucksensorelement 100E sehr groß wird, ist es wirksam, dass der Stopper 19 so angeordnet ist, dass er einem mittleren Abschnitt gegenüberliegt, in dem der Betrag der Verschiebung der Membran 5 am größten ist.
Der Stopper 19 und die Stützbalken 20 werden dadurch ausgebildet, dass sie abgedeckt (masked) werden, um zu verhindern, dass Abschnitte, die dem Stopper 19 und den Stützbalken 20 entsprechen, in dem Druckleitungsbohrungsbildungsschritt geätzt werden. In der ersten Ausführungsform ist die Opfersäule 12 in dem mittleren Bereich der Membran 5 angeordnet (siehe 5 (a)), aber in der fünften Ausführungsform sind die Opfersäulen 12b an vier Stellen angeordnet, wodurch der Stopper 19 und die Stützbalken 20 vermieden werden. Wenn die Druckleitungsbohrung 8 die Opfersäulen 12b enthält, verschwinden die Opfersäulen 12b durch das Ätzen zur Bildung der Druckleitungsbohrung 8.
Gemäß der sechsten Ausführungsform ist es möglich, zusätzlich zu den gleichen Vorteilen wie bei der ersten Ausführungsform, dass indem der Stopper 19, der eine Verschiebung der Membran 5 unterdrückt, innerhalb der Druckleitungsbohrung 8 ist, ein Bruch der Membran 5 unterdrückt wird, selbst in einer Umgebung mit einer großen Druckdifferenz, wodurch ein zuverlässigerer Halbleiter-Differenzdrucksensor geschaffen wird. In der Erfindung ist es möglich, die Ausführungsformen frei zu kombinieren oder eine der Ausführungsformen in geeigneter Weise zu modifizieren oder auszulassen, und zwar innerhalb des Umfangs der Erfindung.
Verschiedene Modifikationen und Änderungen dieser Erfindung sind für den Fachmann offensichtlich, ohne vom Umfang und Geist dieser Erfindung abzuweichen, und es ist zu verstehen, dass die Erfindung nicht auf die hierin dargelegten illustrativen Ausführungsformen beschränkt ist.

Claims

Halbleiter-Differenzdrucksensor, umfassend: ein Halbleiter-Differenzdrucksensorelement (100, 100A, 100B, 100C, 100D, 100E), wobei eine Hauptoberfläche (1a) eines ersten Halbleitersubstrats (1) und eine Hauptoberfläche (2a) eines zweiten Halbleitersubstrats (2) mittels eines auf dem zweiten Halbleitersubstrat (2) ausgebildeten Oxidfilms (4) miteinander verbunden sind, wobei das erste Halbleitersubstrat (1) einen in der einen Hauptoberfläche (1a) vorgesehenen, vertieften Abschnitt (3), Spannungsabbaunuten (13, 13a und 13b), die um und entlang des vertieften Abschnitts (3) vorgesehen sind, und eine Druckleitungsbohrung (8), die den vertieften Abschnitt (3) mit der Außenseite auf der Seite einer anderen Hauptoberfläche (1b) in Kommunikation bringt, aufweist, und das zweite Halbleitersubstrat (2) eine durch den Umriss des vertieften Abschnitts (3) definierte Membran (5), spannungssensitive Elemente (6), die in Bereichen einer anderen Hauptoberfläche (2b) innerhalb der Membran (5) angeordnet sind, Elektroden (10), die in einem Rahmenabschnitt (7) außerhalb der Membran (5) angeordnet sind, und eine Diffusionsverdrahtung (9), die die spannungssensitiven Elemente (6) und Elektroden (10) elektrisch verbindet, aufweist, wobei die Spannungsabbaunuten (13a und 13b) eine verschachtelte Struktur aufweisen, in der die Spannungsabbaunuten (13a und 13b) mehrfach den vertieften Abschnitt (3) umgeben.
Halbleiter-Differenzdrucksensor nach Anspruch 1, bei dem das erste Halbleitersubstrat (1) einen abgestuften Abschnitt (14) an einer Seitenfläche (1c) aufweist, die die eine Hauptoberfläche (1a) und die andere Hauptoberfläche (1b) verbindet, und die Fläche der einen Hauptoberfläche (1a) größer als die Fläche der anderen Hauptoberfläche (1b) ist.
Halbleiter-Differenzdrucksensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das erste Halbleitersubstrat (1) auf einer die eine Hauptoberfläche (1a) und die andere Hauptoberfläche (1b) verbindenden Seitenfläche (1c) einen muldenkamm-förmigen Bereich (15) aufweist.
Halbleiter-Differenzdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das erste Halbleitersubstrat (1) auf der anderen Hauptoberfläche (1b) einen muldenkammförmigen Bereich (15a) aufweist.
Halbleiter-Differenzdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Druckleitungsbohrung (8) über eine Kommunikationsbohrung (18) mit dem vertieften Abschnitt (3) in Kommunikation steht, und die Öffnungsquerschnittsfläche der Druckleitungsbohrung (8) größer als die Querschnittsfläche der Kommunikationsbohrung (18) ist.
Halbleiter-Differenzdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Halbleiter-Differenzdrucksensorelement (100, 100A, 100B, 100C, 100D, 100E) über ein Die-Bond-Material (31) mit einem Gehäuse (30) verbunden ist, und das Gehäuse (30) eine Vielzahl von Nuten (35) in einem Abschnitt aufweist, der mit der anderen Hauptoberfläche (1b) des ersten Halbleitersubstrats (1) verbunden ist.
Halbleiter-Differenzdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das erste Halbleitersubstrat (1) einen Stopp (19), der mindestens dem mittleren Abschnitt der Membran (5) gegenüberliegt und der eine Verschiebung der Membran (5) unterdrückt, und Stützbalken (20), die den Stopp (19) innerhalb der Druckleitungsbohrung (8) halten, aufweist.
Herstellungsverfahren für einen Halbleiter-Differenzdrucksensor, wobei eine Hauptoberfläche (1a) eines ersten Halbleitersubstrats (1), die einen vertieften Abschnitt (3) aufweist, und eine Hauptoberfläche (2a) eines zweiten Halbleitersubstrats (2) über einen Oxidfilm (4) miteinander verbunden sind, das zweite Halbleitersubstrat (2) eine durch den Umriss des vertieften Abschnitts (3) definierte Membran (5) aufweist und der vertiefte Abschnitt (3) mit der Außenseite auf der Seite einer anderen Hauptoberfläche (1b) des ersten Halbleitersubstrats (1) durch eine Druckleitungsbohrung (8) in Kommunikation steht, wobei das Verfahren umfasst: einen Vertieften-Abschnitt-Bildungsschritt, in dem der vertiefte Abschnitt (4) gebildet wird, der darin eine durch eine Ätzung eines Bereichs der einen Hauptoberfläche (1a) des ersten Halbleitersubstrats (1) gebildete Opfersäule (12, 12a, 12b) aufweist, in dem der vertiefte Abschnitt (3) gebildet wird, wobei ein Abschnitt verbleibt; einen Verbindungsschritt, in dem die eine Hauptoberfläche (1a) des ersten Halbleitersubstrats (1), in der der vertiefte Abschnitt (3) und die Opfersäule (12, 12a, 12b) ausgebildet sind, und die eine Hauptoberfläche (2a) des zweiten Halbleitersubstrats (2), die den Oxidfilm (4) aufweist, verbunden werden; einen Membranbildungsschritt, in dem die Membran (5) durch Reduzieren der Dicke des zweiten Halbleitersubstrats (2) auf eine vorbestimmte Dicke von der Seite einer anderen Hauptoberfläche (2b) gebildet wird; einen Funktionselementbildungsschritt, in dem auf dem zweiten Halbleitersubstrat (2), in dem die Membran (5) ausgebildet ist, in der Membran (5) angeordnete spannungssensitive Elemente (6), Elektroden (10), die in einem Rahmenabschnitt (7) außerhalb der Membran (5) angeordnet sind, und eine Diffusionsverdrahtung (9), die die spannungssensitiven Elemente (6) und Elektroden (10) elektrisch verbindet, ausgebildet wird; und einen Druckleitungsbohrungsbildungsschritt, in dem die Druckleitungsbohrung (8) gebildet und gleichzeitig die Opfersäule (12, 12a, 12b) durch Ätzen des ersten Halbleitersubstrats (1) entfernt wird, um sich von der anderen Hauptoberfläche (1b) zu einer Bodenfläche (3a) des vertieften Abschnitts (3) hindurch zu erstrecken.
Herstellungsverfahren für einen Halbleiter-Differenzdrucksensor nach Anspruch 8, bei dem die Opfersäule (12a) aus einer Hohlstruktur ist.
Herstellungsverfahren für einen Halbleiter-Differenzdrucksensor nach Anspruch 8 oder 9, bei dem der Druckleitungsbohrungsbildungsschritt aufweist: einen Schritt des Bildens eines ersten Schutzfilms (16) auf der anderen Hauptoberfläche (1b) des ersten Halbleitersubstrats (1), und Entfernen und Öffnen von Bereichen des ersten Schutzfilms (16), in denen die Druckleitungsbohrung (8) und in denen ein abgestufter Abschnitt (14) einer Seitenfläche (1c) des ersten Halbleitersubstrats (1) ausgebildet werden; einen Schritt des Bildens eines zweiten Schutzfilms (17) auf dem ersten Schutzfilm (16) des ersten Halbleitersubstrats (1), und Entfernen und Öffnen eines Bereichs des zweiten Schutzfilms (17), in dem die Druckleitungsbohrung (8) ausgebildet wird; einen Schritt des Ätzens des ersten Halbleitersubstrats (1), auf dem der erste Schutzfilm (16) und der zweite Schutzfilm (17) gebildet sind, um eine vorbestimmte Tiefe D1 von der Seite der anderen Hauptoberfläche (1b), wodurch ein erster vertiefter Abschnitt (8a) der Tiefe D1 in dem Bereich, in dem die Druckleitungsbohrung (8) ausgebildet wird, gebildet wird; einen Schritt des Entfernens des zweiten Schutzfilms (17); und einen Schritt des Ätzens des ersten Halbleitersubstrats (1), auf dem der erste Schutzfilm (16) gebildet ist, um D2, das die Differenz zwischen der Dicke des ersten Halbleitersubstrats (1) und D1 ist, von der Seite der anderen Hauptoberfläche (1b), wodurch der abgestufte Abschnitt (14), der an der Seitenfläche (1c) in einem Abstand D1 von der einen Hauptoberfläche (1a) des ersten Halbleitersubstrats (1) entfernt ist, und die Druckleitungsbohrung (8) gebildet werden, und gleichzeitiges Entfernen der Opfersäule (12, 12a, 12b).